清华大学：以“无序”破局 开创拓扑光子学新格局

拓扑光子学是光学领域的一个新兴学科。然而，对于拓扑光子学的传统研究始终面临一个矛盾点：拓扑保护的鲁棒性依赖结构的严格周期性，而实际应用中难以避免的“无序”（如材料缺陷、加工误差）常被视为“天敌”。一直以来，竭力消除无序的影响成为拓扑光子学研究者们的重大困扰。如今，这一难题终于得到破解。清华大学深圳国际研究生院宋清华副教授、李勃研究员、清华大学材料学院周济院士，联合新加坡国立大学仇成伟教授、洛桑联邦理工大学罗曼弗勒里等团队从“规避无序”到“利用无序”，首创提出“实空间无序与动量空间拓扑协同”的创新设计，不仅打破了“无序破坏拓扑稳定性”的传统认知，更将无序转化为信息编码的利器，为拓扑光子学开辟了全新方向。

宋清华（中间）、李勃（左二）研究团队

打破思维定式，开启拓扑光子学新格局

面对“无序”给拓扑光子学研究带来的重大影响，宋清华团队探索中不断寻找着打开瓶颈的突破口。团队将连续域束缚态（BIC）作为解决问题的切入点，所谓BIC是一种特殊的光学奇点，其能量被局域化且无法向外辐射，在动量空间中形成高Q值、拓扑保护的偏振奇点。传统观点认为，结构无序会导致BIC退化为准BIC，拓扑特性随之消失。然而，宋清华团队发现，通过构造拓扑保护的谐振模式，在实空间中引入特定无序，不仅不会破坏动量空间的拓扑奇点，反而能赋予光子晶体额外的信息编码能力。“为何不主动引入无序，将其转化为可控的自由度？”通过分析团队改变以往惯性思维，找到了问题的突破点。这一发现，为“无序”正名，也开启了双拓扑协同设计的新方向。

图1实－动量空间拓扑光子晶体效果示意图

独到创新思维，开创出原创性科技成果

团队乘胜追击，以独到创新思维开创出众多原创性科技成果：设计了一种“实动量拓扑光子晶体”，通过旋转各向异性纳米棒引入几何相位，在实空间中生成宽带涡旋或全息图案，同时保持动量空间中BIC的窄带拓扑奇点；创新发现动量空间奇点的窄带特性与几何相位的宽带特性相结合，使器件能够通过波长选择，动态切换功能，显著提升了光学器件的集成度与信息容量；他们通过实验证明，即便存在结构缺陷或旋转角度偏差，动量空间的拓扑奇点仍能稳定存在。扫描电镜图像显示，实际制备的纳米棒阵列虽存在微小误差，但功能未受显著影响。此为大规模生产奠定了基础。

图2具有对结构微扰免疫的拓扑共振模式。其电场分布在结构中心呈现一个奇点，相位分布具有非平庸拓扑荷，不受结构微扰的影响。

团队通过“无序辅助”策略，将实空间几何相位与动量空间BIC拓扑奇点相结合，实现了双拓扑光子晶体的设计。其核心突破在于：无序不再是需规避的缺陷，而是成为信息编码与拓扑增强的工具。未来，这一概念可拓展至谷霍尔效应、拓扑绝缘体、非线性拓扑光源等领域，并有望推动高容量光通信、动态全息显示及量子信息处理等应用。此外，“时间－实空间－动量空间”三重拓扑的探索，或将为拓扑光子学开辟更高维度的调控自由度。

图3 BIC处实现波前调控。通过几何相位编码形成的全息图具有宽带特性（上），而由BIC拓扑产生的涡旋光具有窄带特性。

宋清华团队从“规避无序”到“利用无序”，打破思维定式，创新成果不仅改写了拓扑光子学的理论框架，更展现了我国科学家敢于挑战、勇于突破的精神风貌。俯瞰科技前沿，在微纳光学瀚海中逐浪前行。（清华大学深圳国际研究生院、武琳）

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